JP2016137537A

JP2016137537A - 耐チッピング性、耐摩耗性にすぐれた表面被覆切削工具

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Publication number: JP2016137537A
Application number: JP2015013204A
Authority: JP
Inventors: 強大上; Tsutomu Ogami; 正訓高橋; Masakuni Takahashi
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2015-01-27
Filing date: 2015-01-27
Publication date: 2016-08-04
Anticipated expiration: 2035-01-27
Also published as: JP6399353B2

Abstract

【課題】高負荷切削加工においてすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。【解決手段】下地層と上部層からなる表面被覆切削工具において、前記下地層は、組成式：（ＡｌｘＶ１−ｘ）Ｎで表したとき、０．７０≦ｘ≦０．９５（但し、ｘは原子比）を満足する平均組成を有する六方晶構造のＡｌとＶの複合窒化物層からなり、また、好ましくは、前記下地層は、（１１０）面および（１００）面のそれぞれの回折ピーク強度ｈ（１１０）、ｈ（１００）が、０．２≦ｈ（１１０）／ｈ（１００）≦０．９の関係を満足し、前記上部層は、組成式：（ＡｌｙＭ１−ｙ）Ｎで表したとき、０．４５≦ｙ＜０．７０（但し、ｙは原子比であり、かつ、Ｍは周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の元素、ＳｉおよびＢのうちから選ばれる１種または２種以上である）を満足する平均組成を有する立方晶構造のＡｌとＭの複合窒化物層からなる表面被覆切削工具。【選択図】図１

Description

本発明は、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を備えた表面被覆切削工具に関し、さらに詳しくは、高硬度合金鋼などの高負荷切削加工に供した場合においても、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することなく、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）に関する。

一般に、被覆工具には、各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工や平削り加工にバイトの先端部に着脱自在に取り付けて用いられるインサート、被削材の穴あけ切削加工などに用いられるドリルやミニチュアドリル、さらに被削材の面削加工や溝加工、肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミルなどがあり、またインサートを着脱自在に取り付けてソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うインサート式エンドミルなどが知られている。
従来から、被覆工具としては、例えば、ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、ｃＢＮ焼結体を工具基体とし、これに硬質被覆層を形成した被覆工具が知られており、切削性能の改善を目的として種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１に示すように、工具基体の表面に、ＡｌとＣｒの複合窒化物層からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆工具が提案されており、かかる被覆工具は、硬質被覆層を構成する（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層が、すぐれた高温硬さ、耐熱性、高温強度、高温耐酸化性等を有することから、すぐれた切削性能を発揮することが知られている。

また、特許文献２には、工具基体表面に、ＴｉとＡｌの窒化物、炭窒化物、窒酸化物、炭酸化物、炭窒酸化物の単層または多層からなる被膜を被覆し、該被膜は、Ｘ線回折により測定した（２００）面のピーク強度が最大になるように結晶配向させることにより、耐剥離性、耐酸化性、耐熱衝撃性および広範な温度域にわたりすぐれた耐摩耗性を備えた被覆工具が提案されている。

また、特許文献３には、基材表面に硬質皮膜を形成した切削工具において、基材側に第１層を、また、表面側に第２層を形成し、第１層は、５〜５００ｎｍの層厚からなる４ａ，５ａ，６ａ族の金属層で構成し、第２層は、組成式：（Ａｌ_pＴｉ_qＶ_r）（Ｎ_uＣ_1-u）で表した場合、ｐ，ｑ，ｒは０．２０≦ｐ≦０．７５，０．２０≦ｑ≦０．７５，０．１≦ｒ≦０．５，ｐ＋ｑ＋ｒ＝１を満足し、また、０．６≦ｕ≦１を満足する層で構成し、さらに、第１層及び第２層の合計層厚を０．８〜２０μｍとすることによって、密着性と耐摩耗性を改善した表面被覆切削工具が提案されている。

特許第３９６９２３０号明細書特開平１０−３１７１２３号公報特開２０００−１２９４２３号公報

前記特許文献１、２で提案されている被覆工具は、その硬質被覆層の硬さ、耐熱性等がすぐれているため、高硬度合金鋼の切削においてすぐれた耐摩耗性を発揮するが、その一方、高切り込み、高送り等の高負荷切削加工においては硬質被覆層と工具基体間の密着性が十分でないため、剥離が発生することがあった。
そのため、前記特許文献３で提案されているように、硬質被覆層と工具基体間の密着性を改善した被覆工具が提案されたが、密着性は改善されるものの、高硬度合金鋼の高負荷切削においては密着層自体が破壊されてしまうために、結果的に、硬質被覆層全体としては欠損や剥離が生じ、工具寿命が短命であるという問題があった。
したがって、高硬度合金鋼の高負荷切削加工に供した場合であっても、耐チッピング性と耐摩耗性にすぐれ、長期にわたって安定した切削性能を発揮する被覆工具が求められている。

そこで、本発明者らは、前記課題を解決すべく硬質被覆層の構造について鋭意検討したところ、次のような知見を得た。

本発明者らは、工具基体表面に、例えば図１に示すアークイオンプレーティング装置を用いて硬質被覆層を蒸着成膜するにあたり、下地層として、ウルツ鉱型六方晶（以下、単に「六方晶」という）構造を有する（Ａｌ_ｘＶ_１−ｘ）Ｎ層(但し、原子比で、０．７０≦ｘ≦０．９５)を工具基体表面に予め被覆し、この上に、従来知られている硬質被覆層、例えば、（Ａｌ_ｙＭ_１−ｙ）Ｎ層(但し、原子比で、０．４５≦ｙ≦０．７０であり、かつ、Ｍは、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の元素、ＳｉおよびＢのうちから選ばれる１種または２種以上)を上部層として被覆することによって、工具基体と硬質被覆層の密着強度が改善されるばかりか、下地層の有する緩衝作用によって、高硬度合金鋼の高負荷切削加工においてもすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮することを見出した。

また、前記六方晶構造を有する（Ａｌ_ｘＶ_１−ｘ）Ｎ層(但し、原子比で、０．７０≦ｘ≦０．９５)について、Ｘ線回折を行い、測定された（１１０）面の回折ピーク強度をｈ（１１０）、また、（１００）面の回折ピーク強度をｈ（１００）としたとき、ｈ（１１０）／ｈ（１００）の値が０．２以上０．９以下を満足する場合に、工具基体と硬質被覆層の密着強度がより一段と向上するとともに耐摩耗性も向上することにより、高硬度合金鋼の高負荷切削加工において、チッピングを発生することなく、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮することを見出したのである。

本発明は、前記の知見に基づいてなされたものであって、
「（１）工具基体の表面に、下地層と上部層からなり、全体平均層厚が１．５〜５μｍの硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
（ａ）前記下地層は、
組成式：（Ａｌ_ｘＶ_１−ｘ）Ｎで表したとき、０．７０≦ｘ≦０．９５（但し、ｘは原子比）を満足する平均組成を有し、０．０５〜１．０μｍの平均層厚を有するウルツ鉱型六方晶構造のＡｌとＶの複合窒化物層からなり、
（ｂ）前記上部層は、
組成式：（Ａｌ_ｙＭ_１−ｙ）Ｎで表したとき、０．４５≦ｙ＜０．７０（但し、ｙは原子比であり、かつ、Ｍは周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の元素、ＳｉおよびＢのうちから選ばれる１種または２種以上である）を満足する平均組成を有する立方晶構造のＡｌとＭの複合窒化物層からなることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記下地層について、Ｘ線回折を行って測定した（１１０）面の回折ピーク強度をｈ（１１０）、また、（１００）面の回折ピーク強度をｈ（１００）としたとき、回折ピーク強度比ｈ（１１０）／ｈ（１００）の値が０．２以上０．９以下であることを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。

以下、本発明の被覆工具について、より詳細に説明する。

下地層の組成と平均層厚：
本発明の被覆工具の下地層を構成する六方晶構造の（Ａｌ_ｘＶ_１−ｘ）Ｎ層は、Ａｌ成分の含有割合ｘが、Ｖ成分との合量に占める原子比で０．７０未満であると、立方晶構造のＡｌとＶの複合窒化物が形成されるようになるため、工具基体と下地層の密着強度が低下し、一方、ｘの値が０．９５を超えると、下地層の硬度が不十分となり、硬質被覆層全体としての耐摩耗性が低下傾向を示すようになることから、（Ａｌ_ｘＶ_１−ｘ）Ｎ層におけるＡｌのＶとの合量に占める含有割合ｘ(但し、原子比)は０．７０以上０．９５以下とする。
また、下地層の平均層厚が、０．０５μｍ未満では、下地層としての密着強度向上効果が十分でなく、また、高付加切削時に硬質被覆層に加わる衝撃を緩和する作用（緩衝作用）が十分に発揮でないため上部層のチッピングを抑制できなくなる、一方、下地層の平均層厚が１．０μｍを超えると、比較的低硬度である下地層が厚くなることによって、硬質被覆層全体としての耐摩耗性低下を招くようになることから、下地層の平均層厚は、０．０５μｍ以上１．０μｍ以下と定めた。
なお、上記（Ａｌ_ｘＶ_１−ｘ）Ｎ層の組成、平均層厚、また、後記する（Ａｌ_ｙＭ_１−ｙ）Ｎ層の組成、平均層厚については、走査型電子顕微鏡（ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ−ｒａｙＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＥＤＳ）、オージェ電子分光法（ＡｕｇｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＥＳ）を用いた断面測定により、測定することができる。

下地層のｈ（１１０）／ｈ（１００）の値：
本発明では、下地層についてＸ線回折を行い、（１１０）面の回折ピーク強度をｈ（１１０）、また、（１００）面の回折ピーク強度をｈ（１００）として求めたとき、ｈ（１１０）／ｈ（１００）の値が０．２以上０．９以下であることが望ましい。
回折ピーク強度比ｈ（１１０）／ｈ（１００）の値が０．２未満の場合には、下地層を設けたことによる密着強度向上効果が十分でなく、また、高付加切削時に硬質被覆層に加わる衝撃を緩和する作用（緩衝作用）が十分に発揮でないため上部層のチッピングを抑制できなくなる、一方、ｈ（１１０）／ｈ（１００）の値が０．９を超えると、上部層との密着力が小さくなり、下地層と上部層との層界面で剥離が生じやすくなり、結果として被覆工具の耐摩耗性を低下させることになるからである。
したがって、下地層の回折ピーク強度比ｈ（１１０）／ｈ（１００）の値は０．２以上０．９以下とすることが望ましい。

本発明では、硬質被覆層を蒸着形成するに際し、例えば、図１に示すアークイオンプレーティング装置を用いて成膜するが、特に、下地層を成膜するにあたり、ターゲットの背面に配置した磁力発生源により、ターゲット表面の磁束密度を調整することで、下地層の回折ピーク強度ｈ（１１０）、ｈ（１００）の大きさを制御し、その結果として、回折ピーク強度比ｈ（１１０）／ｈ（１００）を所定の値とすることができる。
なお、上部層が立方晶構造であることは、下部層の影響を除去するため薄膜Ｘ線回折法により確認し、一方、下部層が六方晶であることは、上部層を集束イオンビーム（ＦｏｃｕｓｅｄＩｏｎＢｅａｍ：ＦＩＢ）法などの手法で加工・除去したのち、Ｘ線回折を行うことによって確認することができる。

上部層の組成と平均層厚：
本発明の上部層は、組成式：（Ａｌ_ｙＭ_１−ｙ）Ｎで表したとき、０．４５≦ｙ＜０．７０（但し、ｙは原子比であり、かつ、Ｍは周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の元素、ＳｉおよびＢのうちから選ばれる１種または２種以上である）を満足する平均組成を有する立方晶構造のＡｌとＭの複合窒化物層からなる。
ＡｌとＭの複合窒化物をより具体的に言えば、ＡｌとＴｉ、ＡｌとＣｒ、ＡｌとＴｉとＳｉ、ＡｌとＣｒとＳｉ、ＡｌとＣｒとＢ、ＡｌとＺｒ、ＡｌとＮｂの組合せからなる立方晶構造の各種複合窒化物を挙げることができ、また、立方晶構造のＡｌとＶの複合窒化物を用いることができる。
上部層の組成式：（Ａｌ_ｙＭ_１−ｙ）Ｎにおいて、Ａｌ成分の含有割合ｙが、Ｍ成分との合量に占める原子比で０．４５未満であると、硬質被覆層の硬度や耐酸化性が小さいため、十分な耐摩耗性をえることができず、一方、ｙの値が０．７０以上になると六方晶構造の結晶粒が形成されるようになるため、硬度が低下し十分な耐摩耗性が得られない。
したがって、本発明の上部層におけるＡｌ成分の含有割合ｙ（但し、原子比）は、０．４５以上０．７０未満とする。

全体平均層厚が１．５〜５μｍ：
本発明の被覆工具では、硬質被覆層の全体平均層厚が１．５μｍ未満であると、長期の使用にわたって十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、全体平均層厚が５．０μｍを超えると、チッピング発生を抑制し難くなるので、硬質被覆層の全体平均層厚は１．５μｍ以上５．０μｍ以下と定めた。

本発明の被覆工具は、工具基体表面に、下地層として、六方晶構造を有する（Ａｌ_ｘＶ_１−ｘ）Ｎ層(但し、原子比で、０．７０≦ｘ≦０．９５)を被覆し、この上に、立方晶構造の（Ａｌ_ｙＭ_１−ｙ）Ｎ層(但し、原子比で、０．４５≦ｙ＜０．７０であり、かつ、Ｍは、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の元素、ＳｉおよびＢのうちから選ばれる１種または２種以上)を上部層として被覆して硬質被覆層を構成することにより、工具基体と硬質被覆層の密着強度が改善されるばかりか、下地層の有する緩衝作用によって、高硬度合金鋼等の高切り込み、高送りの高負荷切削加工においてもすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する。
特に、前記下地層を成膜するにあたり、ターゲット表面に印加する磁束密度を調整することで、下地層の回折ピーク強度ｈ（１１０）、ｈ（１００）の大きさを制御し、回折ピーク強度比ｈ（１１０）／ｈ（１００）を所定の値とした場合には、高硬度合金鋼等の高切り込み、高送りの高負荷切削加工において、より一段とすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する。

硬質被覆層を蒸着形成するためのアークイオンプレーティング装置の概略図であり（ａ）が正面図、を（ｂ）が側面図を示す。

つぎに、本発明の被覆工具を実施例により具体的に説明する。
なお、具体的な説明としては、工具基体として超硬合金を用いた被覆工具について説明するが、ＴｉＣＮ基サーメットあるいはｃＢＮ焼結体を工具基体とする被覆工具についても同様である。

原料粉末として、平均粒径：５．５μｍを有する中粗粒炭化タングステン（以下、ＷＣ）粉末、同０．８μｍの微粒ＷＣ粉末、同１．３μｍのＴａＣ粉末、同１．２μｍのＮｂＣ粉末、同１．２μｍのＺｒＣ粉末、同２．３μｍのＣｒ_３Ｃ_２粉末、同１．５μｍのＶＣ粉末、同１．０μｍの（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ［質量比で、ＴｉＣ／ＷＣ＝５０／５０］粉末、および同１．８μｍのＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末をそれぞれ表１に示される配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で所定形状の各種の圧粉体にプレス成形し、これらの圧粉体を、６Ｐａの真空雰囲気中、７℃／分の昇温速度で１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この温度に１時間保持後、炉冷の条件で焼結して、直径が６．５ｍｍ、１０．５ｍｍの２種の超硬基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記の２種の丸棒焼結体から、研削加工にて、表３に示される組合せで、切刃部の直径×長さがそれぞれ６ｍｍ×１２ｍｍおよび１０ｍｍ×１８ｍｍの寸法、並びにいずれもねじれ角３０度の２枚刃ボール形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体（エンドミル）１〜８をそれぞれ製造した。

（ａ）ついで、前記の工具基体１〜８のそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１に示されるアークイオンプレーティング装置内の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部に沿って装着し、装置内にボンバード洗浄用のＴｉカソード電極（図示せず）を配置するとともに、一方に下地層形成用の所定成分組成のＡｌ−Ｖ合金からなるターゲット（カソード電極）を、他方側に上部層形成用の所定成分組成のＡｌ−Ｍ合金（但し、Ｍは、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の元素、ＳｉおよびＢのうちから選ばれる１種または２種以上とした）からなるターゲット（カソード電極）を、回転テーブルを挟んで対向配置し、
（ｂ）まず、装置内を排気して０．１Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒータで装置内を５００℃に加熱した後、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ、前述のＴｉカソード電極とアノード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、それによって、工具基体表面をボンバード洗浄し、
（ｃ）ついで、装置内に導入する反応ガスとしての窒素ガスの流量を調整して４〜１０Ｐａの反応雰囲気とすると共に、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、Ａｌ−Ｖ合金ターゲットの表面に、その背面に配置した磁力発生源から表２に示すターゲット表面最大磁束密度になるように種々の磁束密度を印加して、Ａｌ−Ｖ合金ターゲットとアノード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させて所定の目標層厚、目標組成の（Ａｌ_ｘＶ_１−ｘ）Ｎ層からなる硬質被覆層の下地層を蒸着形成した。
（ｄ）ついで、装置内に導入する反応ガスとしての窒素ガスの流量を調整して４〜１０Ｐａの反応雰囲気とすると共に、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、Ａｌ−Ｍ合金ターゲットとアノード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させて所定の目標層厚、目標組成の（Ａｌ_ｙＭ_１−ｙ）Ｎ層からなる硬質被覆層の上部層を蒸着形成した。
上記工程（ａ）〜（ｄ）により、表２に示す本発明表面被覆切削工具としての本発明表面被覆超硬製エンドミル（以下、本発明被覆工具と云う）１〜１２を製造した。
なお、本発明被覆工具１〜２については、下地層の形成にあたり、Ａｌ−Ｖ合金ターゲットへの磁束密度印加を行わなかった。

また、比較の目的で、前記工具基体１〜８を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１に示されるＡＩＰ装置に装入し、装置内にボンバード洗浄用のＴｉカソード電極（図示せず）、カソード電極（蒸発源）としてのＡｌ−Ｖ合金、Ａｌ−Ｍ合金を装着し、まず、装置内を排気して０．１Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒータで装置内を５００℃に加熱した後、前記工具基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ、Ｔｉカソード電極とアノード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生さて工具基体表面をボンバード洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して４Ｐａの反応雰囲気とすると共に、工具基体に−５０Ｖのバイアス電圧を印加し、Ａｌ−Ｍ合金のカソード電極とアノード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させて工具基体１〜６のそれぞれの表面に、所定の目標層厚、目標組成の（Ａｌ_ｙＭ_１−ｙ）Ｎ層からなる硬質被覆層（以下、この層を便宜上「上部層」という）を蒸着形成することにより、表３に示される比較例表面被覆超硬製エンドミル（以下、比較例被覆工具と云う）１〜６をそれぞれ製造した。

また、さらに比較の目的で、前記工具基体１〜８を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１に示されるＡＩＰ装置に装入し、装置内にボンバード洗浄用のＴｉカソード電極（図示せず）、カソード電極（蒸発源）としてのＡｌ−Ｖ合金、Ａｌ−Ｍ合金を装着し、まず、装置内を排気して０．１Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒータで装置内を５００℃に加熱した後、前記工具基体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ、Ｔｉカソード電極とアノード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生さて工具基体表面をボンバード洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して４Ｐａの反応雰囲気とすると共に、工具基体に−５０Ｖのバイアス電圧を印加し、Ａｌ−Ｖ合金ターゲットの表面に、その背面に配置した磁力発生源から表３に示すターゲット表面最大磁束密度になるように種々の磁束密度を印加して、Ａｌ−Ｖ合金ターゲットとアノード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させて所定の目標層厚、目標組成の（Ａｌ_ｘＶ_１−ｘ）Ｎ層からなる硬質被覆層の下地層を蒸着形成した。
ついで、装置内に導入する反応ガスとしての窒素ガスの流量を調整して４〜１０Ｐａの反応雰囲気とすると共に、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、Ａｌ−Ｍ合金ターゲットとアノード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させて所定の目標層厚、目標組成の（Ａｌ_ｙＭ_１−ｙ）Ｎ層からなる硬質被覆層の上部層を蒸着形成することにより、表３に示す比較例被覆工具７〜１２をそれぞれ製造した。

上記で作製した本発明被覆工具１〜１２および比較例被覆工具１〜１２の工具基体表面に垂直な硬質被覆層の縦断面について、工具基体表面に平行な方向の幅が１０μｍであり、硬質被覆層の厚み領域が全て含まれるよう設定された視野について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）を用いた断面測定により、（Ａｌ_ｘＶ_１−ｘ）Ｎ層からなる下地層および（Ａｌ_ｙＭ_１−ｙ）Ｎ層からなる上部層の組成、層厚を複数箇所で測定し、これを平均することにより、平均組成、平均層厚を算出した。

次に、（Ａｌ_ｘＶ_１−ｘ）Ｎ層からなる下地層の回折ピーク強度ｈ（１１０）、ｈ（１００）を、Ｃｕ管球を用いたＸ線回折によって測定し、ｈ（１１０）とｈ（１００）の比の値（ｈ（１１０）／ｈ（１００））を求めた。
また、上部層の結晶構造は下地層の影響を除去するため薄膜Ｘ線回折法により確認することができ、一方、下地層の結晶構造は、上部層を集束イオンビーム（ＦｏｃｕｓｅｄＩｏｎＢｅａｍ：ＦＩＢ）法などの手法で加工・除去したのち、Ｘ線回折を行うことによって確認した。
表２、表３に、その値を示す。

つぎに、本発明被覆工具１〜１２および比較例被覆工具１〜１２について、次の切削条件Ａ，Ｂで焼入れ鋼の高切り込み・高送り側面切削加工試験を実施した。
≪切削条件Ａ≫
被削材：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの寸法のＪＩＳ・ＳＫＤ６１（ＨＲＣ５２）の板材、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：ａｅ０．３ｍｍ，ａｐ２．０ｍｍ、
テーブル送り：１７００ｍｍ／ｍｉｎ．、
の条件での焼入れ鋼の乾式高速高切り込み・高送り側面切削加工試験（なお、通常の切り込みはａｅ０．１５ｍｍ，ａｐ１．０ｍｍ、送りは１０００ｍｍ／ｍｉｎ）。
≪切削条件Ｂ≫
被削材：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの寸法のＪＩＳ・ＳＫＤ１１（ＨＲＣ６０）の板材、
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：ａｅ０．２ｍｍ，ａｐ２ｍｍ、
テーブル送り：５４０ｍｍ／ｍｉｎ．、
の条件での合金工具鋼の乾式高速高切り込み・高送り側面切削加工試験（なお、通常の切り込みはａｅ０．１ｍｍ，ａｐ１．５ｍｍ、送りは３５０ｍｍ／ｍｉｎ）。
上記のいずれの側面切削加工試験でも、切刃部の外周刃の逃げ面摩耗幅が使用寿命の目安とされる０．１ｍｍに至るまでの切削長を測定し、チッピングの有無を確認した。
表４、表５に、その測定結果を示す。

実施例１で作製したＷＣ基超硬合金製の工具基体（エンドミル）５〜７に対して、本発明被覆工具１〜１２の作製方法と同様な方法により、目標層厚、目標組成の（Ａｌ_ｘＶ_１−ｘ）Ｎ層からなる硬質被覆層の下地層と、目標層厚、目標組成の（Ａｌ_ｙＭ_１−ｙ）Ｎ層からなる硬質被覆層の上部層を蒸着形成することにより、表６に示す本発明表面被覆切削工具としての本発明表面被覆超硬製エンドミル（以下、本発明被覆工具と云う）１３〜１５を製造した。
ただし、表６に示すように、本発明被覆工具１３では、Ｍ成分としてＴｉ及びＳｉを、本発明被覆工具１４では、Ｍ成分としてＣｒ及びＳｉを、また、本発明被覆工具１５では、Ｍ成分としてＴｉ及びＢを使用した。
また、比較のため、実施例１で作製したＷＣ基超硬合金製の工具基体（エンドミル）５に対して、比較例被覆工具１〜６と同様な方法により、目標層厚、目標組成の（Ａｌ_ｙＭ_１−ｙ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、表６に示す比較例表面被覆切削工具としての比較例被覆超硬製エンドミル（以下、比較例工具と云う）１３を製造した。
さらに比較のために、実施例１で作製したＷＣ基超硬合金製の工具基体（エンドミル）６，７に対して、比較例被覆工具７〜１２と同様な方法により、目標層厚、目標組成の（Ａｌ_ｘＶ_１−ｘ）Ｎ層からなる硬質被覆層の下地層と、目標層厚、目標組成の（Ａｌ_ｙＭ_１−ｙ）Ｎ層からなる硬質被覆層の上部層を蒸着形成することにより、表６に示す比較例工具１４，１５を製造した。
なお、表６に示すように、比較例被覆工具１３では、Ｍ成分としてＴｉ及びＳｉを、比較例被覆工具１４では、Ｍ成分としてＣｒ及びＳｉを、また、比較例被覆工具１５では、Ｍ成分としてＴｉ及びＢを使用した。

本発明被覆工具１３〜１５及び比較例被覆工具１３〜１５について、実施例１と同様な方法で、下地層および上部層の平均組成、平均層厚を求めるとともに、下地層のｈ（１１０）／ｈ（１００）を求め、更に、下地層と上部層の結晶構造を確認した。
表６にその値を示す。

次いで、本発明被覆工具１３〜１５及び比較例被覆工具１３〜１５について、実施例１と同様な切削条件Ａ，切削条件Ｂで焼入れ鋼の高切り込み・高送り側面切削加工試験を実施し、切刃部の外周刃の逃げ面摩耗幅が使用寿命の目安とされる０．１ｍｍに至るまでの切削長を測定し、チッピングの有無を確認した。
表６に、その測定結果を示す。

表４、表５、表６に示される結果から、本発明被覆工具１〜１５は、硬質被覆層を、（Ａｌ_ｘＶ_１−ｘ）Ｎ層からなる下地層と（Ａｌ_ｙＭ_１−ｙ）Ｎ層からなる上部層とで形成していることによって、硬質被覆層と工具基体の密着性にすぐれ、チッピングの発生が抑制されるとともに長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮する。
特に、下地層のｈ（１１０）／ｈ（１００）を０．２以上０．９以下とした本発明被覆工具３〜１５においては、より一段と耐チッピング性、耐摩耗性にすぐれることは明らかである。
これに対して、下地層を形成しなかった比較例被覆工具１〜６，１３においては、チッピング発生を原因として、短時間で寿命となり、また、下地層を形成したものであっても、ｘの値、ｙの値あるいは、下地層の層厚が本発明範囲外である比較例被覆工具７〜１２，１４，１５においては、本発明被覆工具１〜１５に比して、耐チッピング性、耐摩耗性はいずれも劣るものであった。

前述のように、本発明の被覆工具は、高硬度の合金鋼の高切り込み・高送り切削加工ですぐれた切削性能を発揮したが、その他、炭素鋼、鋳鉄等の切削においても耐チッピング性、耐摩耗性にすぐれることから、切削加工装置の高性能化、並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。

Claims

工具基体の表面に、下地層と上部層からなり、全体平均層厚が１．５〜５μｍの硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
（ａ）前記下地層は、
組成式：（Ａｌ_ｘＶ_１−ｘ）Ｎで表したとき、０．７０≦ｘ≦０．９５（但し、ｘは原子比）を満足する平均組成を有し、０．０５〜１．０μｍの平均層厚を有するウルツ鉱型六方晶構造のＡｌとＶの複合窒化物層からなり、
（ｂ）前記上部層は、
組成式：（Ａｌ_ｙＭ_１−ｙ）Ｎで表したとき、０．４５≦ｙ＜０．７０（但し、ｙは原子比であり、かつ、Ｍは周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の元素、ＳｉおよびＢのうちから選ばれる１種または２種以上である）を満足する平均組成を有する立方晶構造のＡｌとＭの複合窒化物層からなることを特徴とする表面被覆切削工具。
前記下地層について、Ｘ線回折を行って測定した（１１０）面の回折ピーク強度をｈ（１１０）、また、（１００）面の回折ピーク強度をｈ（１００）としたとき、回折ピーク強度比ｈ（１１０）／ｈ（１００）の値が０．２以上０．９以下であることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。